Il 6 dicembre 2016, una particella ad alta energia chiamata antineutrino elettronico è precipitata sulla Terra dallo spazio esterno a una velocità prossima alla luce portando 6,3 petaelettronvolt (PeV) di energia. Nel profondo della calotta glaciale al Polo Sud, si schiantò contro un elettrone e produsse una particella che decadde rapidamente in una pioggia di particelle secondarie. L'interazione è stata catturata da un enorme telescopio sepolto nel ghiacciaio antartico, l'Osservatorio dei neutrini IceCube.

IceCube aveva assistito a un evento di risonanza di Glashow, un fenomeno previsto dal fisico premio Nobel Sheldon Glashow nel 1960. Con questa scoperta, gli scienziati hanno fornito un'altra conferma del Modello Standard della fisica delle particelle. Ha inoltre dimostrato ulteriormente la capacità di IceCube, che rileva particelle quasi prive di massa chiamate neutrini utilizzando migliaia di sensori incorporati nel ghiaccio antartico, fare fisica fondamentale. Il risultato è stato pubblicato il 10 marzo in Natura .

Sheldon Glashow ha proposto per la prima volta questa risonanza nel 1960 quando era un ricercatore post-dottorato presso quello che è oggi il Niels Bohr Institute di Copenhagen, Danimarca. Là, scrisse un articolo in cui predisse che un antineutrino (il gemello di antimateria di un neutrino) avrebbe potuto interagire con un elettrone per produrre una particella non ancora scoperta, se l'antineutrino avesse Appena la giusta energia, attraverso un processo noto come risonanza.

Quando la particella proposta, il W ^- bosone, è stato finalmente scoperto nel 1983, risultò essere molto più pesante di quanto Glashow e i suoi colleghi si aspettassero nel 1960. La risonanza di Glashow richiederebbe un neutrino con un'energia di 6,3 PeV, quasi 1, 000 volte più energico di quello che è in grado di produrre il Large Hadron Collider del CERN. Infatti, nessun acceleratore di particelle creato dall'uomo sulla Terra, attuale o programmato, potrebbe creare un neutrino con così tanta energia.

Ma che dire di un? naturale acceleratore:nello spazio? Le enormi energie dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie e di altri eventi cosmici estremi possono generare particelle con energie impossibili da creare sulla Terra. Un tale fenomeno è stato probabilmente responsabile dell'antineutrino da 6,3 PeV che ha raggiunto IceCube nel 2016.

"Quando Glashow era un postdoc presso Niels Bohr, non avrebbe mai potuto immaginare che la sua proposta non convenzionale per la produzione del W ^- il bosone verrebbe realizzato da un antineutrino proveniente da una galassia lontana che si schianta contro il ghiaccio antartico, "dice Francis Halzen, professore di fisica all'Università del Wisconsin-Madison, la sede della manutenzione e delle operazioni di IceCube, e ricercatore principale di IceCube.

Da quando IceCube ha iniziato la piena operatività nel maggio 2011, l'osservatorio ha rilevato centinaia di neutrini astrofisici ad alta energia e ha prodotto una serie di risultati significativi nell'astrofisica delle particelle, inclusa la scoperta di un flusso di neutrini astrofisici nel 2013 e la prima identificazione di una fonte di neutrini astrofisici nel 2018. Ma l'evento di risonanza di Glashow è particolarmente degno di nota a causa della sua energia notevolmente elevata; è solo il terzo evento rilevato da IceCube con un'energia maggiore di 5 PeV.

"Questo risultato dimostra la fattibilità dell'astronomia dei neutrini - e la capacità di IceCube di farlo - che giocherà un ruolo importante nella futura fisica delle astroparticelle multimessaggero, "dice Christian Haack, che era uno studente laureato presso RWTH Aachen mentre lavorava a questa analisi. "Ora possiamo rilevare singoli eventi di neutrini che sono inconfondibilmente di origine extraterrestre".

Il risultato apre anche un nuovo capitolo dell'astronomia dei neutrini perché inizia a districare i neutrini dagli antineutrini. "Le misurazioni precedenti non sono state sensibili alla differenza tra neutrini e antineutrini, quindi questo risultato è la prima misurazione diretta di un componente antineutrino del flusso di neutrini astrofisici, " dice Lu Lu, uno dei principali analizzatori di questo lavoro, che era un postdoc presso l'Università di Chiba in Giappone durante l'analisi.

"Ci sono un certo numero di proprietà delle sorgenti dei neutrini astrofisici che non possiamo misurare, come la dimensione fisica dell'acceleratore e l'intensità del campo magnetico nella regione di accelerazione, "dice Tianlu Yuan, un assistente scienziato presso il Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center e un altro analizzatore principale. "Se possiamo determinare il rapporto neutrino-antineutrino, possiamo indagare direttamente su queste proprietà."

Per confermare la rilevazione ed effettuare una misurazione decisiva del rapporto neutrino-antineutrino, la collaborazione IceCube vuole vedere più risonanze Glashow. Una proposta di espansione del rilevatore IceCube, IceCube-Gen2, consentirebbe agli scienziati di effettuare tali misurazioni in modo statisticamente significativo. La collaborazione ha recentemente annunciato un aggiornamento del rivelatore che sarà implementato nei prossimi anni, il primo passo verso IceCube-Gen2.

Glashow, ora professore emerito di fisica alla Boston University, fa eco alla necessità di ulteriori rilevamenti degli eventi di risonanza di Glashow. "Per essere assolutamente sicuri, dovremmo vedere un altro evento simile alla stessa energia di quello che è stato visto, " dice. "Finora ce n'è uno, e un giorno ce ne saranno di più".

Ultimo, ma non per importanza, il risultato dimostra il valore della collaborazione internazionale. IceCube è gestito da oltre 400 scienziati, ingegneri, e personale di 53 istituzioni in 12 paesi, insieme noti come la collaborazione IceCube. I principali analizzatori di questo documento hanno lavorato insieme in tutta l'Asia, Nord America, ed Europa.

"Il rilevamento di questo evento è un altro "primo, ' dimostrando ancora una volta la capacità di IceCube di fornire risultati unici ed eccezionali, "dice Olga Botner, professore di fisica all'Università di Uppsala in Svezia ed ex portavoce della collaborazione IceCube.

"IceCube è un progetto meraviglioso. In pochi anni di attività, il rivelatore ha scoperto ciò che era stato finanziato per scoprire:i neutrini cosmici a più alta energia, la loro potenziale fonte in blazars, e la loro capacità di aiutare nell'astrofisica multimessaggero, "dice Vladimir Papitashvili, responsabile del programma presso l'Ufficio dei programmi polari della National Science Foundation, Il principale finanziatore di IceCube. James Whitmore, responsabile del programma nella divisione di fisica della NSF, aggiunge, "Ora, IceCube stupisce gli scienziati con una ricca fonte di nuovi tesori che nemmeno i teorici si aspettavano di trovare così presto".